▲ 흑연과 흑연-인 복합체의 저속 및 고속 충방전 성능 비교

국내 연구진이 흑연 음극재에 성냥개비 성분을 코팅시켜 가격 경쟁력과 성능을 확보하는데 성공해 전기차, 항공, 고속 충전 전지 등 다양한 분야에 쓰일 수 있을 것으로 기대된다.

UNIST(총장 이용훈)는 에너지화학공학과 이현욱 교수팀이 기화-응결 방법을 이용해 적린과 카본이 코팅된 다공성 흑연 음극재인 ‘흑연-인 복합체’를 개발했다고 5일 밝혔다.

개발된 복합체는 적린(붉은색 인)과 카본 코팅층의 이점을 이용해 흑연 표면에 생성되는 전자와 리튬 이온의 전도도를 높였다. 향상된 전도도는 고속 충전 시 전극 표면에만 집중되던 리튬 이온을 확산시켜 충전을 균일하게 만든다. 배터리에 문제를 일으키는 수지상 형성을 억제해 배터리 안정성 또한 향상시켰다.

음극재 개발은 배터리 안정성에 있어 매우 중요하다. 흑연과 같은 음극은 충전할 때 생기는 리튬 농도 집중 현상으로 리튬의 이동이 제한된다. 이와 같은 충전의 불균일성은 상단부에 수지상 형성을 일으켜 배터리의 성능을 저하시킨다.

연구팀은 적린의 낮은 끓는점(280℃)을 활용해, 인 성분을 흑연 표면에 균일하게 기상 증착시켰다. 석영관을 녹여 흑연과 적린을 밀폐시킨 후 끓는점 이상으로 온도를 가하면 적린이 기화된다. 기화된 적린은 흑연을 균일하게 감싸게 되고, 온도를 내림으로써 증착이 이뤄진다. 특히, 원유를 분리할 때 생기는 잔류물인 ‘석유계 피치’를 추가로 코팅함으로써 적린의 부반응이 제어된 흑연-인 복합체가 완성된다.

연구팀은 개발한 복합체를 실시간 광학현미경으로 관찰하고 이미지 프로세싱을 통해 분석했다. 흑연은 충전에 따라 색상이 변화하는데, 개발된 흑연-인 복합체를 충전시킬 때 색상 분포가 깊이별로 균일해지는 것을 확인했다.

균일성 향상으로 고속 충전 시 수지상 형성 없이 안정적으로 충전됨을 광학현미경 영상을 통해 확인했다. 1,000싸이클 이상의 장기 고속 충·방전 테스트에서도 94.4%의 용량을 유지하고 99.8%의 쿨롱 효율을 보여 훌륭한 내구성 또한 확인했다.

쿨롱 효율은 배터리 충·방전 시 충전 대비 방전 용량의 비율을 나타낸다. 배터리의 성능을 평가하는 지표 중 하나로 널리 이용된다.

이현욱 교수는 “흑연 기반의 음극재는 향후 10년간 리튬이온전지 시장을 주도할 것이다. 따라서 흑연의 에너지 밀도와 고속 충전을 위한 연구는 흑연 기반 음극재 시장의 핵심 인자라고 할 수 있다”며 “저렴한 적린과 카본을 코팅한 흑연 음극재의 개발로 배터리 시장에서 필요로 하는 부분을 충족시킬 수 있을 것이다”고 설명했다.

한편, 이번 연구는 울산과학기술원 미래선도형 특성화사업, 과학기술정보통신부·한국연구재단 신진연구사업의 지원으로 수행됐다. 에너지 소재 분야의 세계적인 국제학술지인 ‘ACS 에너지 레터스(ACS Energy Letters)’에 8월 29일자로 온라인 게재됐다.